CAD/CAE 3D-Schaltungsträger - ganz einfach

MID-TRONIC Wiesauplast GmbH
MID-TRONIC Wiesauplast GmbH

Die Forderung nach Miniaturisierung ist heute vielleicht die größte Antriebskraft in der Elektronikentwicklung, weil mit ihr auch viele andere Anforderungen gelöst werden: mehr Funktionen in kleineren Geräten, weniger Energiebedarf und niedrigere Herstellungskosten. Für die Miniaturisierung von elektronischen Baugruppen bieten sich verschiedene Möglichkeiten an. Welche ist aber für die jeweilige Applikation die richtige und welche Unterstützung sollten CAD-Programme bieten?

Viele Miniaturisierungsschritte wurden in der Vergangenheit durch höhere Integration und kleinere Bauteile umgesetzt. Die Gerätehersteller profitierten von den Entwicklungen der Halbleiterhersteller. Dabei änderte sich die Anschlusstechnik von durchkontaktierten Bauteilen, die auf der Oberseite einer Leiterplatte montiert und auf der Unterseite verlötet wurden, zu oberflächenmontierbaren Bauteilen (SMD). SMDs wer-den auf der Montageseite verlötet - meist im Reflow-Lötprozess. Mit SMDs lässt sich eine Leiterplatte auf der Ober- und Unterseite bestücken.

Die Halbleiterindustrie hat in der Vergangenheit kontinuierlich die Miniaturisierungsforderungen der Elektronikentwickler durch immer neuere Prozesstechniken und feinere Strukturen erfüllt, um immer mehr Transistoren auf einer bestimmten Siliziumfläche zu platzieren. Das für ein IC verwendete Stück Silizium konnte kleiner werden. Die kleineren Siliziumstücke lassen sich dann, bei gleicher elektrischer Leistung, in kleinere Gehäuse verpacken. Als Nachteil kommt es durch die kleineren Strukturen zu steileren Signalflanken, was die Layout-Anforderungen zur Signalintegrität erhöht.

Die Miniaturisierung und Integration stößt aber auch an Grenzen, da sich nicht alles auf nur einem Siliziummaterial sinnvoll realisieren lässt. So werden zum Beispiel Abschlusswiderstände benötigt, oder es lassen sich HF- und Digitalschaltungen besser auf unterschiedlichen Wafermaterialien und in unterschiedlichen Prozesstechniken herstellen. Abhilfe bietet dann ein System-in-Package (SiP), eine Integration von mehreren ungehäusten Chips in einem IC-Gehäuse. Um den verfügbaren Bauraum mit den Bauelementen auf Tochter- und Basiskarte optimal zu nutzen, kann eine „Verzahnung“ der Bauteile auf den gegenüberliegenden Seiten angestrebt werden. Um hier eine Kollision zu vermeiden, ist ein realistischer 3D-Geometrie-Check unter Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen notwendig.

System-in-Package

Bei einem SiP können auf dem Trägermaterial, ähnlich wie bei einer einseitig bestückten Leiterplatte, diskrete Bauteile und Chips aufgebracht werden. Aber selbst hier reicht nicht aus, die Chips nebeneinander zu platzieren. Um noch stärker zu miniaturisieren, werden die Chips übereinander gestapelt (stacked Die), was allerdings die Anforderungen beim Verlegen der Bonddrähte in mehreren Ebenen erhöht. Das CAD-Layout für einen SiP-Träger erfordert das Verknüpfen der verschiedenen Verbindungs- und Montagetechniken unter Berücksichtigung der jeweils spezifischen Designregeln.

Im Allegro Package Designer von Cadence z.B. sind hierfür direkte Schnittstellen zu den IC-Entwicklungswerkzeugen und der Leiterplatten-Datenbasis für die äußeren Gehäuseanschlüsse vorhanden. Dies erlaubt das parallele Zusammenarbeiten der verschiedenen Disziplinen. SiP-Gehäuse - vor allem bei flächiger Kontaktanordnung als BGA (Ball Grid Array) - können mit mehreren Lagen im Trägermaterial hergestellt werden, um die Anschlüsse von den im Gehäuse platzierten Chips zu den entsprechenden Lotkugeln zu führen.

Miniaturisierung von Baugruppen

Für die meisten Entwickler scheidet die Miniaturisierung über eigene Halbleiterbauteile oder SiPs aufgrund der hohen Initialkosten aus. Die benötigten Stückzahlen sind zu niedrig. Sie können aber die klassische Aufbau- und Verbindungstechnik der Leiterplatten weiter nutzen und sich die dritte Dimension erschließen, um das Volumen der Baugruppe zu verkleinern.

Hierzu bieten sich an:

  • gestapelte Leiterplatten (Tochterkarten über Steckverbinder),
  • starr-flexible Leiterkarten (überei-nander gefaltet),
  • dreidimensionale Schaltungsträger (3D MID) und
  • eingebettete Bauteile (in Innenlagen).

Doch welche Aufbau- und Verbindungstechnik ist nun die geeignete, um die Baugröße zu optimieren? Die Antwort hängt von vielen Faktoren ab - auch von der zu fertigenden Stückzahl und dem mechanischen Umfeld.

Gestapelte Leiterplatten

Eine Tochterkarte kann über zwei Steckerleisten stabil mit der Basiskarte verbunden werden. Die Leiterplatten für beide Baugruppen können in normalen Leiterplattenfertigungsprozessen hergestellt und mit Standardbauteilen bestückt werden. Sie werden nach der Bestückung bei der Montage ineinander gesteckt.

Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass er auch eine gewisse Flexibilität bietet: Mehrere Kombinationen aus verschiedenen Tochter- und Basismodulen können realisiert werden. Dazu muss nur darauf geachtet werden, dass die Steckerabmessungen und deren Pinbelegungen unverändert bleiben. Auch eine Arbeitsteilung bei der Entwicklung der Baugruppen und Leiterplatten ist möglich. Im Designprozess müssen lediglich Informationen zur Geometrie und Anschlussbelegung sowie die Designregeln wie Leitungslängen und Impedanzen ausgetauscht werden.

Um den verfügbaren Bauraum mit den Bauelementen auf Tochter- und Basiskarte optimal zu nutzen, kann eine „Verzahnung“ der Bauteile auf den gegenüberliegenden Seiten angestrebt werden. Um hier eine Kollision zu vermeiden, ist ein realistischer 3D-Geometrie-Check unter Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen notwendig (Bild 1).

Flexible Leiterplatten

Wenn Steckverbinder die geometrische Konstruktion zu stark einengen und/oder eine höhere Zuverlässigkeit gefordert ist, bieten sich flexible oder starr-flexible Leiterplatten an, wobei die bestückten Bereiche (starr) so gefaltet werden können, dass sie übereinander gestapelt eingebaut werden können (Bild 2). In der Produktion einer starr-flexiblen Leiterplatte wird eine mit Leiterbahnen versehene, durchgehende Folie, als Basis genommen. In den später starren Bereichen wird die flexible Folie in herkömmlicher Weise mit starrem Basismaterial zu Multilayern verpresst. Elektrische Verbindungen über flexible Leiterbahnen, die mit dem Rest der Leiterplatte in einem Herstellungsprozess gefertigt wurden, sind deutlich zuverlässiger als Steckverbinder. Allerdings lassen sich bei dieser Bauweise keine Module wie z.B. Tochterkarten tauschen oder frei kombinieren bzw. nachrüsten.

Die Herausforderung für den Leiterplattendesigner liegt zum einen in der Geometrie, da die Leiterplatte in einem zweidimensionalen Fertigungsprozess hergestellt, jedoch im dreidimensionalen Raum eingebaut wird. Die Kontur der flach produzierten Leiterplatte ergibt sich aus der Abwicklung des dreidimensionalen Leitungsverlaufs. Bei komplexeren Konstruktionen stoßen mCAD-Systeme (mechanisches CAD) schnell an ihre Grenzen, da das Biegeverhalten von flexiblen Leiterplatten ein anderes ist, als das von Blechmodellen, die in mCAD-Software zur Verfügung stehen.

Abhilfe bietet hier die spezielle 3D-CAD-Software Nextra von Mecadtron [1]. Mit ihr lassen sich gängige 2D-Leiterplatten-CAD-Formate einlesen, um dann, dem Lagenaufbau entsprechend, die starr-flexible Leiterplatte am Monitor zu falten und im mechanischen Umfeld zu platzieren. Durch die 3D-Fähigkeiten der CAD-Software entfallen fehlerträchtige manuelle Iterationen mit Prototypen und Versuchsmustern. In Nextra können auch Kollisionen auf der gleichen Bestückungsseite geprüft werden, die sich nach dem Falten gegenüberliegen, bzw. die Bauteilplatzierungen lassen sich so optimieren, dass höhere Bauteile nach dem Falten nebeneinander statt gegenüber angeordnet sind - Verzahnung von Bauteilen.

Starr-flexible Leiterplatten erfordern Befestigungspunkte: Schrauben, Klebe- oder Klemmpunkte. Diese Befestigungspunkte müssen bei der Entwicklung im mechanischen 3D-Umfeld platziert werden, um die exakte Position in der Abwicklung für die Fertigung zu erhalten und Kollisionen mit Bauteilen, Gehäusestegen oder anderen mechanischen Komponenten auszuschließen.

Spritzgegossene Schaltungsträger

Wenn Bauteile auf sehr vielen Ebenen im Raum platziert werden sollen oder das Gehäuse den Einbau von planaren Leiterplatten nicht zulässt, stoßen starr-flexible Leiterkarten an ihre Grenzen. Der Aufwand, eine flexible Leiterkarte anzubringen, kann bei kleinen und komplexen mechanischen Strukturen stark ansteigen und alle Kostenvorteile einer Miniaturisierung zunichte machen. Statt separate Leiterplatten zu verwenden, können die elektrischen Verbindungen auch direkt auf mechanischen Bauteilen aus elektrisch isolierendem Material aufgebracht werden. Bei spritzgegossenen Schaltungsträgern (Molded Interconnect Device, MID) werden üblicherweise Polymere für das Substrat verwendet. Der Schaltungsträger erhält durch den Spritzgussprozess seine dreidimensionale Form und die Leiterbahnen werden meist galvanisch auf den Oberflächen aufgebracht. Bei diesen 3D-Schaltungsträgern müssen alle Fertigungsschritte im dreidimensionalen Raum stattfinden - vom Layout bis zum Löten.

Es gibt verschiedene Herstellungsverfahren, um die Leiterzüge auf den räumlichen Schaltungsträgern zu erzeugen, z.B. Zwei-Komponenten-Spritzguss, das Maskenbelichtungsverfahren und das Laserstrukturieren jeweils mit galvanischer Metallisierung, das Heißprägen und selektive Metallbeschichtungsverfahren wie Drahtflammspritzen oder Plasma-Pulverbeschichten.

Räumliche Schaltungsträger bieten deutlich mehr Gestaltungsfreiheit und eine Integration von elektrischen und mechanischen Funktionen in einem Bauteil. Miniaturisierungspotentiale ergeben sich, da die Bauteile an unterschiedlichen Stellen verteilt und dort platziert werden können, wo die Mechanik Freiräume bietet (Bild 3).

Beim Design von MIDs ist zwischen einfachen und komplexen Schaltungen zu unterscheiden. Bei einfachen Schaltungen mit wenigen Leiterzügen und Bauteilen können die Leiterbahnen mit einem mCAD-System erstellt werden. Hier lässt sich schnell erkennen, ob der elektrische Schaltplan mit dem MID-Layout übereinstimmt.

Aber bei komplexeren Schaltungen, wenn Designregeln in Form von Leitungslängen oder Leitungsbreiten zu berücksichtigen sind, ist das mCAD-Programm überfordert. Abweichungen zwischen den Schaltplanvorgaben und der MID-Konstruktion lassen sich dann nur noch mit großem Aufwand vermeiden.

Hier ist eine für MIDs geeignete eCAD-Software wie z.B. Nextra mit Stromlaufplan-Import und MID-Design Rule Check erforderlich, die Netzlisten und Designregeln verarbeiten kann. So bleibt der CAD-Arbeitsablauf mit Stücklistenverwaltung und Design-Regeln an etablierte eCAD-Systeme angebunden und die speziellen Fertigungsdaten für die Strukturierung der Leiterbahnen können bereits für MID-Verfahren aufbereitet ausgegeben werden.